Quando se acenderam as primeiras estrelas do Universo

A época inicial de trevas no Universo terminou muito antes do que se pensava, segundo observações de uma equipa norte-americana. Ao fim de 180 milhões de anos após o Big Bang, a “explosão” que deu origem a tudo o que existe, as estrelas já estavam a nascer.

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Ilustração artística das primeiras estrelas do Universo, que eram azuis N. R. Fuller/National Science Foundation dos EUA

Houve um tempo em que não havia nem estrelas, nem galáxias, nem planetas, e muito menos a nossa Terra. E então as primeiras estrelas acenderam-se e o Universo saía da Era das Trevas. Propõe-se agora que as primeiríssimas estrelas nasceram quando o Universo tinha “apenas” 180 milhões de anos, e não 550 milhões, como se supunha ultimamente. Esta nova versão científica sobre o momento em que o Universo deixou de estar às escuras vem relatada esta quinta-feira na revista Nature.

O próprio Universo nasceu há 13.800 milhões de anos, com o Big Bang. Nos seus primeiros 380 mil anos era opaco. Havia uma sopa tão densa e quente de protões, electrões e fotões (luz) que estes não conseguiam viajar livremente. Os fotões colidiam com frequência com os electrões. É por isso que não conseguimos ver a luz dos primeiros 380 mil anos do Universo. Mas quando os núcleos atómicos e os electrões se juntaram e formaram átomos leves (sobretudo hidrogénio mas também deutério, trítio e hélio), o caminho ficou livre para a passagem dos fotões. O Universo tornou-se transparente à luz.

Essa luz de quando o Universo tinha 380 mil anos é assim a mais antiga que conseguimos ver. Está espalhada por todo o Universo, hoje na forma de radiação microondas (ondas rádio). Chama-se radiação cósmica de fundo. Diz-se que é um eco do Big Bang porque permite inferir sobre o que se terá passado nos primórdios do Universo.

Para esta nova história agora contada na Nature a radiação cósmica de fundo é importante porque foi precisamente nessa luz que as primeiras estrelas a iluminar o Universo deixaram uma “assinatura”, uma impressão digital.

Mas nessa altura continuava a não haver estrelas nem galáxias, que são gigantescas ilhas de matéria formadas por milhões e milhões de estrelas. O Universo tornado transparente estava então cheio de um nevoeiro de hidrogénio electricamente neutro (forma de hidrogénio só com um protão e um electrão).

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Nova cronologia proposta para a história do Universo, já com as estrelas ao fim de 180 milhões de anos após o Big Bang N. R. Fuller/National Science Foundation dos EUA

À medida que os milhões de anos se foram sucedendo, nas regiões com mais hidrogénio gasoso a gravidade foi exercendo a sua acção. Esse gás foi sendo atraído e agregado lentamente nessas zonas, que se foram tornando cada vez mais densas, ao ponto de os átomos de hidrogénio começarem a fundir-se em reacções nucleares – e foi então que as estrelas se acenderam.

No entanto, ainda não era ponto assente (como em tantas outras coisas do edifício sempre em construção da ciência) quando surgiram estes primeiros candeeiros cósmicos que tiraram do escuro o Universo. Procurando uma resposta, uma equipa de cientistas dos Estados Unidos, coordenada por Judd Bowman, astrofísico da Universidade Estadual do Arizona, concebeu uma experiência e esperou durante 12 anos por resultados. Chegaram agora.

Os investigadores desenvolveram e foram aperfeiçoando uma pequena antena do tamanho de um frigorífico, que foi colocada numa zona remota da Austrália (no Observatório de Radioastronomia de Murchison), onde há menos ondas rádio de origem humana que pudessem interferir com as ondas de rádio vindas do Universo distante. Ao longo da experiência, foram fazendo alterações nos equipamentos e na análise dos dados recolhidos, repetiram mesmo a recolha de dados numa segunda antena, tudo para eliminar contaminações e erros nos sinais captados. O objectivo era precisamente captar a radiação cósmica de fundo, que nos chega, recorde-se, como microondas. Ou melhor, captar alterações, as tais impressões digitais, deixadas pelas primeiras estrelas na radiação cósmica de fundo.

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A antena no Observatório de Radioastronomia de Murchison, Austrália Ocidental CSIRO Austrália

Adeus trevas, olá re-ionização

Segundo os modelos teóricos, as primeiras estrelas eram azuis. O que significa que tinham muita massa, eram muito quentes e emitiam muita radiação ultravioleta. Também consumiam rapidamente o seu combustível, pelo que morriam depressa. Quando uma estrela muito maciça morre como as estrelas azuis, o resultado é a sua transformação num buraco negro, um objecto tão denso que a luz, uma vez lá caída, já não consegue escapar-se.

Ainda segundo os modelos teóricos, a radiação ultravioleta emitida pelas primeiras estrelas interagiu com os átomos de hidrogénio gasoso espalhados pelo Universo primordial, arrancando-lhes o seu electrão – um processo chamado ionização.

Por causa da separação entre o protão e o electrão que constituem o átomo de hidrogénio, os electrões voltaram a andar à solta e a colidir com a radiação cósmica de fundo que está por todo o Universo. O hidrogénio gasoso passou assim a “absorver” fotões da radiação cósmica de fundo, impedindo outra vez que alguma dessa luz viajasse livremente. Ora esse acontecimento na história do Universo deixou marcas nesta forma de luz.

Deixando para trás as trevas, a nova época do Universo iluminada pelas estrelas é justamente a Era da Re-ionização. Depois de ter estado ionizado até aos 380 mil anos e de se ter tornado transparente, voltava agora a ser ionizado. A radiação ultravioleta libertada pelas primeiras estrelas ionizava o gás à sua volta. Eram os vestígios dessa época de re-ionização que a equipa de Judd Bowman procurava. Apropriadamente, o seu projecto chama-se EDGES, a sigla em inglês de Experiência para Detectar a Assinatura Global da Época da Re-ionização.

O que a equipa detectou foi uma pequena “descida na intensidade da radiação cósmica de fundo”, como refere um dos comunicados sobre o trabalho. Através da detecção dessa alteração na radiação cósmica de fundo provocada pelas primeiras estrelas, a equipa pôde concluir que elas surgiram 180 milhões de anos após o Big Bang. Como o Universo tem agora 13.800 milhões de anos, estes resultados levam-nos à conclusão de que as primeiras fontes de iluminação cósmica sugiram há cerca de 13.620 milhões de anos.

“Detectar este sinal minúsculo abriu uma janela nova para o Universo primitivo. Os telescópios não conseguem ver suficientemente longe para termos uma imagem dessas estrelas antigas, mas nós vimos, nas ondas de rádio que chegam do espaço, quando é que elas se ligaram”, sublinha Judd Bowman, citado num dos comunicados sobre o trabalho. “Esta detecção é um grande desafio técnico. As fontes de ruídos podem ser dez mil vezes mais intensas do que o sinal – é como estar no meio de um furacão e tentar ouvir o bater de asas de um colibri”, nota por sua vez Peter Kurczynski, da National Science Foundation dos EUA, que financiou a experiência.

“Começámos a ver o gás de hidrogénio em determinadas frequências de rádio. É o primeiro sinal real de que as estrelas estavam a começar a formar-se e a afectar o meio à sua volta”, explica outro investigador da equipa, Alan Rogers, do Observatório Haystack do Instituto de Tecnologia do Massachusetts (MIT). “A assinatura desta característica de absorção está associada unicamente às primeiras estrelas. Elas são a fonte mais plausível de radiação para produzir este sinal”, nota por sua vez Colin Lonsdale, director do Observatório Haystack.

Grãos de areia numa praia

Para o astrofísico Domingos Barbosa, do Instituto de Telecomunicações em Aveiro, “é uma descoberta fantástica”. O investigador português é o coordenador da participação portuguesa num radiotelescópio intercontinental que vai ser construído, o Square Kilometre Array (SKA), que terá as suas antenas espalhada na Austrália, a África do sul e outros países africanos. Portugal fará parte dos membros fundadores do SKA, a partir deste ano. “Num dos melhores locais do planeta escolhidos para instalação do SKA, este resultado sobre a detecção da luz das primeiras estrelas formadas no Universo antecipa uma ciência muito promissora com o SKA. Tirando partido das novas tecnologias de tratamento de Informação, o SKA terá capacidades únicas para resolver ou identificar algumas dessas primeiras fontes cósmicas”, nota Domingos Barbosa.

Perante as observações da antena na Austrália Ocidental, a equipa norte-americana sugere agora uma nova cronologia para a história do Universo. Em 2015, tinha-se avançado que as observações do telescópio espacial Planck, lançado pela Agência Espacial Europeia para medir a radiação cósmica de fundo, indicavam que as primeiras estrelas teriam surgido 550 milhões de anos após o Big Bang.

Assim que as primeiras estrelas foram morrendo, os buracos negros e outros objectos maciços que elas deixaram para trás continuaram o processo de ionização do restante hidrogénio gasoso espalhado pelo Universo. Os discos de gases que rodopiavam os restos mortais das estrelas geraram raios X, que por sua vez aqueceram o hidrogénio gasoso primordial. “A certa altura, o gás [o hidrogénio] ficou mais quente do que a radiação cósmica de fundo, acabando com a absorção do sinal”, escreve a equipa norte-americana no seu artigo na Nature. A época de re-ionização estava portanto a chegar ao fim, o que nos dados da equipa aconteceu ao fim de 250 milhões de anos após o Big Bang.  

E o Universo foi seguindo o seu curso, formando galáxias, até chegarmos ao nascimento do pontinho azul-claro que é a nossa casa terrestre à volta de uma estrela, há cerca de 4500 milhões de anos, e aos dias de hoje. Terminamos com as palavras de Neil deGrasse Tyson, astrónomo norte-americano que publicou Astrofísica para Gente com Pressa – Uma Viagem Rápida e Iluminante ao Cosmos (Gradiva), pondo tudo em perspectiva. “Há mais estrelas no Universo do que grãos de areia em qualquer praia, mais estrelas do que segundos desde que a Terra se formou, mais estrelas do que palavras e sons alguma vez pronunciados por todos os seres humanos que já viveram.”